模型共享：二维随机颗粒建模与仿真应用实例

仿真文件说明

如图1所示为二维随机颗粒增强材料的切削仿真，颗粒在模型内部随机分布，模型中可以通过改写数值定义多组直径，也可以将颗粒直径定义在某一范围内随机分布，从而建立仿真所需的几何模型。

图1 二维颗粒增强铝合金材料切削仿真

• 前言

防控期间在家进行流体力学学习，对于生物流体力学中描述的流体中的微粒运动深有感触，因而考虑到生物3D打印实验中，无论是明胶微球混合打印、细胞挤出打印甚至是打印中气泡的作用影响，都是不可避免的技术难点，因而对此方向进行了简单的了解。

• 手动建模

通过仿真研究微球增强的情况，首先就是建立高质量的仿真模型，对于此类问题，其关键是微球尺寸和位置的随机性分布，因此采用Python语言进行了模型的建立。

创建一个二维的随机圆形颗粒模型，假设圆形颗粒的大小分为三种，半径分别为1mm，3mm，5mm。模型的大小为100×50mm。

图2 颗粒建模示意图

• 随机模型

然后要做的就是创建颗粒的循环生成，将三种不同直径的颗粒循环生成，此时颗粒的半径已知，因此设置颗粒的圆心位置随机，实现颗粒的随机分布。为了避免颗粒之间发生相互的干涉，既避免生成的圆形之间发生重叠情况，在此基础上需要添加判断，成为随机颗粒圆心位置的限制条件。

• 随机直径颗粒搭配

通过以上方式生成的颗粒直径只能是固定的几个，为了提高仿真的真实性，比较近似的模拟颗粒直径的分布，设计了颗粒直径在某个尺寸范围内，随机生成的脚本文件，实现了直径在一定尺寸范围内的随机生成。图中尺寸范围为0.075-0.125mm。

图3 随机直径颗粒建模

• 简单尝试

通过脚本文件生成了在0.075-0.125mm范围内的随机颗粒，模拟明胶微球，基体材料为生物材料GelMA,采用一端挤压的方式模拟“明胶颗粒—GelMA”混合墨水的挤压状态和应力变化情况，以及铝基复合材料的车削过程，分析颗粒在受力时发生的变化。

图4 “明胶颗粒—GelMA”应力分布图

图5 铝基复合材料车削应力分布图

• 扩展应用

通过脚本文件生成的随机颗粒，不仅可以模拟“明胶颗粒和GelMA”混合墨水在挤出式打印中的形变和受力，甚至还可以模拟“明胶颗粒—GelMA—气泡”这种复杂混合模型在挤出式打印中的延迟和形变情况，对于精确控制墨水的挤出量具有一定的应用前景。

图6 多材料仿真模型构建

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